Astratt
Il-prestazzjoni tal-batteriji tal-jone tal-litju tiddependi ħafna fuq it-temperatura operattiva tal-batterija. Madankollu, id-dejta tat-temperatura normalment miksuba titkejjel minn thermocouples imwaħħla mal-wiċċ tal-batterija, li jistgħu ma jirriflettux b'mod preċiż it-temperatura attwali ġewwa l-batterija, speċjalment f'temperaturi ambjentali baxxi u rati ta 'skariku għoljin. Dan l-artikolu se jintroduċi metodu innovattiv li juża teknoloġija ta 'vultaġġ differenzjali biex ibassar it-temperatura interna ta' batterija ta 'pakkett artab tal-jone tal-litju ta' 40Ah. Id-differenza bejn il-kejl tat-temperatura interna u esterna tiddependi fuq ir-rata ta 'skariku u t-temperatura ambjentali. Matul il-proċess ta 'kwittanza kontinwu, id-differenza bejn il-wiċċ u t-temperatura mkejla tiżdied fl-istadju bikri tal-ħruġ, tilħaq il-quċċata tagħha fl-istadju tan-nofs, u mbagħad tonqos fl-istadju tard tal-ħruġ. Ir-riżultati ta 'dan l-istudju jistgħu jappoġġjaw b'mod attiv strateġiji ta' kontroll fis-sistemi ta 'ġestjoni tal-batteriji (BMS).
1. Introduzzjoni
Bl-attenzjoni dejjem tiżdied għall-kwistjonijiet ambjentali u l-impenn tal-gvernijiet biex inaqqsu l-emissjonijiet, il-vetturi elettriċi (EVs) qed jiġu vvalutati dejjem aktar bħala soluzzjoni potenzjali. Wieħed mill-fatturi ewlenin għas-suċċess tagħhom huwa s-sistema tal-ħażna tal-enerġija (ESS) użata. L-ESS ideali għandu jkollu enerġija għolja u densità ta 'enerġija, ħajja eċċellenti, u juri affidabilità taħt kundizzjonijiet operattivi varji bħal ċikli tas-sewqan, temperatura, eċċ Fit-teknoloġija tal-batteriji kummerċjali, batteriji tal-jone tal-litju saru l-għażla preferuta għal vetturi elettriċi puri (BEVs). ) minħabba l-ogħla volum u d-densità tal-enerġija/qawwa tal-piż tagħhom.
BEVs ibbażati fuq batteriji tal-jone tal-litju se jnaqqsu b'mod sinifikanti l-firxa u l-prestazzjoni tal-enerġija tagħhom taħt temperatura baxxa u kundizzjonijiet ta 'rata C għolja. Ir-raġunijiet għad-degradazzjoni tal-prestazzjoni jinkludu tnaqqis fil-konduttività tal-elettroliti, tnaqqis fid-diffużjoni tal-litju fi stat solidu, polarizzazzjoni għolja ta 'anodi tal-grafita, u kinetiċi ta' trasferiment ta 'ċarġ bil-mod. Fl-istudju ta 'batteriji tal-jone tal-litju 2.2 Ah 18650, il-prestazzjoni elettrokimika tal-batterija tiddependi ħafna mit-temperatura operattiva tagħha. Madankollu, it-temperatura operattiva tal-batteriji hija ġeneralment imkejla minn thermocouples imwaħħla mal-wiċċ tal-batterija, li jistgħu ma jirriflettux b'mod preċiż il-proċessi elettrokimiċi ġewwa l-batterija. Il-kejl tal-vultaġġ differenzjali (DV) jintuża biex jiġi dedott l-allinjament stojkjometriku tal-elettrodi f'ekwilibriju jew qrib l-ekwilibriju biex jiskopri t-tnaqqis tal-kapaċità. Biex jiġi evitat il-fenomenu ta 'trasferiment ta' ħlas, kurrent għoli għandu jiġi evitat. DV jirrappreżenta l-varjazzjoni tal-vultaġġ għal kull unità ta 'kapaċità ta' skarigu (dV/dQ), li tirrifletti l-impatt kumulattiv tal-kundizzjonijiet operattivi (temperatura ambjentali, rata C, SOC, impedenza u tisħin waħdu) fuq il-batterija.
L-għan ta 'dan l-artikolu huwa li tuża t-teknoloġija DV biex tbassar ir-"reżistenza effettiva" tal-batteriji taħt kurrenti ta' skarigu kontinwu differenti f'temperaturi ambjentali li jvarjaw minn -20 sa 25 grad C, u mbagħad ibassar it-temperatura interna tagħhom. Id-devjazzjoni bejn it-temperaturi tal-wiċċ tal-batterija interni u mkejla hija direttament relatata mal-kurrent ta 'skarigu u tonqos bit-tnaqqis tat-temperatura ambjentali. Dawn il-previżjonijiet jistgħu jgħinu biex itejbu l-eżattezza tal-istima tat-temperatura tal-batterija u jtejbu l-istrateġiji ta 'kontroll fi ħdan is-sistemi ta' ġestjoni tal-batterija (BMS).
2. Metodi ta 'riċerka
A. Dettalji sperimentali
Sabiex tiġi investigata l-imġiba tal-batterija, ġiet ittestjata batterija tal-litju-jone artab li tiżen 0.97 kilogramma b'elettrodu pożittiv NMC. Il-batterija għandha vultaġġ nominali ta' 3.7 volts u kapaċità ta' 40 sigħat ampere. Termokoppja tat-tip K hija installata fiċ-ċentru ġeometriku tal-wiċċ prinċipali tal-batterija tal-pakkett artab. Il-batterija titqiegħed fiċ-ċellula sħuna Votsch u soġġetta għal ċikli ta 'ċarġ u skariku bl-użu ta' ċiklu tal-batterija Bitrode. It-test sar f'erba' temperaturi ambjentali differenti: -20 grad C, -10 grad C, 0 grad C, u 25 grad C. L-iċċarġjar isir biss f'25 grad C, iċċarġjar b'rata ta' 0.5C (20 amps) sakemm il-vultaġġ jilħaq 4.2 volt. Il-kurrent tal-iċċarġjar imbagħad jinżel għal 0.05C filwaqt li jinżamm vultaġġ ta' 4.2 volts. Il-kurrenti tal-iskarigu użati jinkludu 0.1C, 0.2C, 0.5C, 1C, 2C, 5C, u 8C. Il-parametri mkejla direttament jinkludu vultaġġ tal-batterija (V), kapaċità (Ah), qawwa (W), enerġija ta 'skarika (Wh), u temperatura tal-wiċċ tal-batterija (imkejla) (grad C). Il-vultaġġ ta 'qtugħ ta' din il-batterija huwa 2.7 volt.
B. Sabiex tikkalkula t-"temperatura interna" mill-parametri tal-kejl bl-użu tat-teknoloġija tal-vultaġġ differenzjali, ħadna l-passi li ġejjin għat-tbassir tat-temperatura interna (ara l-Figura 1):
1. Kalkolu tal-bidla fil-vultaġġ:Ikkalkula l-bidla fil-vultaġġ (∆ V) f'kull pass tal-ħin.
2. Kalkolu effettiv tar-reżistenza:"Reżistenza effettiva" R hija funzjoni lineari ta 'DV, miksuba billi tiddividi ∆ V bil-kurrent ta' skarigu.
Figura 1. Mudell sempliċi ta 'ġenerazzjoni tas-sħana
3. Kalkolu tal-ġenerazzjoni tas-sħana:Ikkalkula s-sħana ġġenerata f'kull pass ta' ħin Qgen=∆ V ²/R.
4. Kalkolu tal-konduzzjoni tas-sħana:Il-kalkolu tal-konduzzjoni tas-sħana mill-qalba tal-batterija sal-wiċċ huwa Qbond=(k × A × ∆ T)/(L/2), fejn k hija l-konduttività termali planari tal-batterija, A hija l-erja tal-wiċċ, u L hija d-distanza bejn il-qalba tal-batterija u l-wiċċ.
5. Kalkolu tat-trasferiment tas-sħana konvettiva:Il-kalkolu tat-trasferiment tas-sħana konvettiva fuq il-wiċċ tal-batterija huwa Qconv=(h × A × (T-Tamb)), fejn h huwa l-koeffiċjent tat-trasferiment tas-sħana konvettiv u Tamb hija t-temperatura ambjentali.
6. Kalkolu tal-bidla fit-temperatura:Ikkalkula l-bidla fit-temperatura ∆ T kull sekonda bħala (QGen Qcond QConv)/(m × C). Hawnhekk, t huwa l-pass tal-ħin (f'sekondi), m huwa 0.97 kilogramma, u C hija l-kapaċità tas-sħana. Jekk wieħed jassumi Qbond huwa żero f't=0 sekondi, imbagħad uża Qbond mill-pass tal-ħin preċedenti.
7. Kalkolu tat-temperatura interna:Ikkalkula t-temperatura interna billi tintegra ∆ T f'kull pass tal-ħin.
Dan il-metodu jipprovdi approċċ ġdid biex tbassar b'mod preċiż it-temperatura interna tal-batteriji billi tikkunsidra b'mod komprensiv il-prestazzjoni elettrokimika u l-karatteristiċi termali tagħhom, li hija ta 'sinifikat kbir għall-ottimizzazzjoni tas-sistemi ta' ġestjoni tal-batteriji (BMS) u t-titjib tal-prestazzjoni tal-batterija.
Tabella 1. Parametri tal-batterija tal-batteriji tal-borża tal-jone tal-litju
| Parametru | Valur |
| Konduttività termali, k | 0.48 W/m/ grad |
| Żona tal-wiċċ, A | 0.10125 m² |
| Ħxuna taċ-ċellula, L | 0.0009 m |
| Kapaċità tas-Sħana, C | 1243 J/ grad /kg |
| Koeffiċjent Konvettiv, h | 10W/m²/grad |
3. Riżultati u Diskussjoni
A. L-influwenza tar-rata C u t-temperatura ambjentali fuq il-kapaċità tal-iskarigu u l-enerġija tal-iskarigu
Ir-riżultati sperimentali juru li l-enerġija rilaxxata mill-batterija tonqos biż-żieda tar-rata C u t-tnaqqis tat-temperatura ambjentali. Dan għaliex iż-żieda fl-impedenza tal-batterija twassal għal tnaqqis aktar mgħaġġel fil-vultaġġ tal-batterija, inkluż tnaqqis fil-konduttività tal-jone, żieda fir-reżistenza tal-elettroliti, polarizzazzjoni anodika ogħla, trasferiment ta 'ċarġ aktar bil-mod, u diffużjoni insuffiċjenti tal-fażi solida tal-litju.
Figura 2. Evoluzzjoni tal-vultaġġ b'enerġija ta 'skarigu f'temperaturi ambjentali differenti u rati ċ
Meta skarika f'5C fi -10 grad C, il-vultaġġ se jogħla għal perjodu ta 'żmien konsiderevoli matul iċ-ċiklu ta' skarigu. Dan huwa minħabba li t-tisħin waħdu jikkawża li t-temperatura tal-batterija tiżdied, li tirriżulta fi tnaqqis fir-reżistenza tal-elettroliti minħabba żieda fil-konduttività tal-jone u r-rata ta 'diffużjoni tal-melħ, u b'hekk l-enerġija tal-iskarika tkun ogħla milli waqt il-ħruġ iżotermali. Fi -10 grad C, il-kapaċità ta 'skarigu ta' 5C hija 3.6% ogħla minn 1C, iżda l-enerġija ta 'skarika hija 2.9% aktar baxxa; Fi 0 grad C, il-kapaċità ta 'skarika ta' 5C hija 1% ogħla minn 1C, u l-enerġija ta 'skarika hija 5.3% aktar baxxa, li tindika li l-benefiċċji tal-kapaċità miġjuba minn tisħin waħdu jistgħu jiġu stmati żżejjed, u ħafna mill-kapaċità miżjuda hija użat għat-tisħin tal-batterija.
Figura 3. Evoluzzjoni tal-vultaġġ ta 'batteriji b'kapaċità ta' skarigu f'temperaturi ambjentali differenti u rati ċ
B. L-influwenza tar-rata C u t-temperatura ambjentali fuq it-tbassir tat-temperatura interna bl-użu ta 'vultaġġ differenzjali
Figura 4. Reżistenza effettiva u skarigu ta 'enerġija f'temperaturi ambjentali differenti u rati C
Ir-reżistenza effettiva ġeneralment tiżdied bi tnaqqis fit-temperatura ambjentali u żieda fir-rata C, li jfisser li f'xi punt fiċ-ċiklu tal-iskarigu, il-vultaġġ jinbidel b'mod aktar sinifikanti bir-rilaxx tal-enerġija. F'temperaturi ambjentali aktar baxxi, speċjalment f'rati C għolja, ir-reżistenza effettiva hija ogħla minħabba konduttività baxxa tal-jone, trasferiment bil-mod ta 'ċarġ, reżistenza għolja għall-elettroliti, u diffużjoni bil-mod ta' stat solidu. Dan huwa konsistenti ma 'studji preċedenti li juru li r-reżistenza DC tiżdied bi tnaqqis fit-temperatura ambjentali u żieda fir-rati C, u r-reżistenza effettiva tiżdied fit-tmiem tal-ħruġ. Għalkemm il-grad li jsaħħan waħdu ta 'skarigu 5C huwa għoli fi -10 grad C, ir-reżistenza effettiva tiegħu għadha l-ogħla, possibbilment minħabba l-ħin qasir ta' skariku.
Figura 5. Tqabbil tat-temperaturi interni (I) u mkejla (M) b'rati C differenti f'temperatura ambjentali ta' 25 grad
Figura 6. Tqabbil tat-temperaturi interni (I) u mkejla (M) b'rati C differenti f'temperatura ambjentali ta' 0 grad
Matul il-ħruġ, kemm it-temperatura mkejla kif ukoll it-temperatura interna tiżdied, b'żieda fit-temperatura ogħla u żieda akbar fit-temperatura interna b'rata C għolja u temperatura ambjentali baxxa. B'mod konsistenti ma 'studji oħra, id-differenza massima bejn it-temperaturi interni u mkejla matul iċ-ċiklu ta' kwittanza (∆ T) hija proporzjonali għar-rata C korrispondenti, u d-differenza tiżdied hekk kif tonqos it-temperatura ambjentali. Il-∆ T taħt kundizzjonijiet operattivi differenti f'dan l-artikolu huwa kemmxejn ogħla mill-istudju li jinvestiga biss gradjenti tat-temperatura tal-wiċċ, iżda huwa aktar konsistenti mal-istudju li jqabbel temperaturi interni u tal-wiċċ, li jindika li t-temperatura interna stmata f'dan l-artikolu tirrappreżenta l-medja ġenerali temperatura tal-batterija, u t-temperatura mkejla ġejja mill-qari tas-sensorju tal-wiċċ/termokoppja. Id-differenza bejn it-temperatura interna tal-batterija u t-temperatura mkejla ġeneralment tiżdied mal-iskarigu, tilħaq quċċata fin-nofs tal-ħruġ, u mbagħad tonqos. Il-kobor tad-differenza jiżdied biż-żieda tar-rata C u t-temperatura ambjentali.
Figura 7. Tqabbil ta 'temperaturi interni (I) u mkejla (M) b'rati C differenti f'temperatura ambjentali ta' 25 grad.
Figura 8. Evoluzzjoni tat-temperatura interna u d-differenza tat-temperatura tal-batterija mkejla kull skarigu ta' 30 Wh
4. Sommarju
F'temperaturi ambjentali aktar baxxi, il-benefiċċji tal-kapaċità tat-tisħin waħdu jistgħu jkunu stmati żżejjed u jistgħu ma jissarrfux f'żieda fl-enerġija disponibbli għall-batterija.
Limitazzjonijiet tal-effett tat-tisħin waħdu:F'ambjenti b'temperatura baxxa, għalkemm l-effett tat-tisħin waħdu tal-batteriji jista 'jżid il-kapaċità ta' skarigu, mhux dejjem ifisser li l-enerġija rilaxxata mill-batterija tiżdied. Dan huwa minħabba li l-kapaċità miżjuda tista 'tintuża prinċipalment għat-tisħin tal-batterija, aktar milli biex tagħmel xogħol jew tipprovdi aktar enerġija elettrika.
Ir-reżistenza effettiva ta 'batterija hija akbar f'kurrenti ta' skarigu ogħla u temperaturi ambjentali aktar baxxi.
Ir-relazzjoni bejn ir-reżistenza effettiva u l-kundizzjonijiet operattivi:Ir-reżistenza effettiva hija parametru importanti ta 'batterija taħt kundizzjonijiet operattivi speċifiċi, li tiżdied biż-żieda tal-kurrent ta' skariku u t-tnaqqis tat-temperatura ambjentali. Dan jindika li l-konduzzjoni tal-joni u t-trasferiment ta 'ċarġ ġewwa l-batterija huma aktar imxekkla taħt skarigu ta' kurrent għoli u kundizzjonijiet ta 'temperatura baxxa.
Id-differenza bejn it-temperatura interna tal-batterija u t-temperatura tal-wiċċ imkejla tal-batterija tiżdied biż-żieda tal-kurrent ta 'skarika u t-tnaqqis tat-temperatura ambjentali.
Ir-relazzjoni bejn id-differenza fit-temperatura u l-kundizzjonijiet operattivi:Id-differenza bejn it-temperatura interna u tal-wiċċ (∆ T) hija direttament relatata mal-kurrent tal-iskarigu u t-temperatura ambjentali. Dan ifisser li f'ambjenti ta 'skariku ta' kurrent għoli u temperatura baxxa, it-temperatura ġewwa l-batterija tista 'tkun ħafna ogħla mit-temperatura tal-wiċċ, li hija kruċjali għall-ġestjoni termali u l-ottimizzazzjoni tal-prestazzjoni tal-batterija.
Matul iċ-ċiklu tal-iskarigu, id-differenza bejn it-temperatura interna tal-batterija u t-temperatura tal-wiċċ imkejla tal-batterija tiżdied fl-istadji bikrija tal-kwittanza, tilħaq il-quċċata tagħha fl-istadji tan-nofs, u mbagħad tonqos fl-istadji tard tal-kwittanza.
Bidliet dinamiċi fid-differenzi fit-temperatura:It-tendenza tad-differenzi fit-temperatura bejn l-intern u l-wiċċ ta 'batterija waqt il-ħruġ tirrifletti l-kumplessità tad-dinamika termali interna tal-batterija. Din id-differenza tiżdied fl-istadji bikrija tal-ħruġ, possibilment minħabba ż-żieda mgħaġġla fis-sħana ġġenerata internament meta l-batterija tibda tiskarika. L-ogħla livell waqt il-ħruġ tan-nofs jista 'jkun minħabba l-ogħla temperatura interna tal-batterija, filwaqt li tnaqqis lejn l-aħħar tal-iskarigu jista' jkun minħabba tnaqqis fis-sħana ġġenerata fil-batterija u l-bidu tat-tkessiħ.
Dawn l-osservazzjonijiet huma kruċjali għad-disinn u l-ottimizzazzjoni tas-sistemi ta 'ġestjoni tal-batteriji (BMS), peress li jipprovdu informazzjoni siewja dwar l-imġiba tal-batteriji taħt kundizzjonijiet operattivi differenti. Billi tifhem u tbassar dawn il-fenomeni, huwa possibbli li t-temperatura tal-batterija tkun immaniġġjata b'mod aktar effettiv, u b'hekk ittejjeb il-prestazzjoni u l-ħajja tagħha.